基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)研究

 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和數(shù)字化也勢(shì)在必行。大棚種植作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的典型技術(shù)，其應(yīng)用日益普遍。而大棚內(nèi)部的溫濕度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)密切相關(guān)，因此對(duì)大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)控就顯得非常重要。大棚溫濕度監(jiān)測(cè)與控制是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代自動(dòng)化、數(shù)字化的關(guān)注熱點(diǎn)之一?；赯igBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)具有低功耗、低成本、自組網(wǎng)等特點(diǎn)。滿足大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的需求，能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫濕度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動(dòng)化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)將有廣闊的應(yīng)用前景。

1 大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心PC、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳感器和控溫控濕執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其總體框圖如圖1所示。其中ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和若干個(gè)ZigBee終端組成;傳感器使用單總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器DHT11，控溫控濕執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括加熱單元、制冷單元、加濕單元和進(jìn)出風(fēng)單元等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)由溫濕度傳感器、ZigBee無(wú)線通信模塊(CC2530)、加熱器、制冷器、加濕器和進(jìn)出風(fēng)設(shè)備組成。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。第一個(gè)功能是自動(dòng)采集大棚內(nèi)的節(jié)點(diǎn)溫濕度并將溫濕度轉(zhuǎn)化為ZigBee數(shù)據(jù)包周期性地通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)點(diǎn)播發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn);第二個(gè)功能是根據(jù)ZigBee協(xié)調(diào)器廣播模式發(fā)送來(lái)的大棚內(nèi)部給定溫濕度范圍和大棚外部的溫濕度值，對(duì)加熱器、制冷器、加濕器和進(jìn)出風(fēng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器采用CC2530，此節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上充當(dāng)一個(gè)無(wú)線收發(fā)器。它不斷地接收從ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù)，然后通過(guò)UART串口與監(jiān)控中心PC連接，把接收到的大棚溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心PC。監(jiān)控中心PC實(shí)時(shí)直觀地將溫濕度隨時(shí)間的變化曲線描畫出來(lái);在監(jiān)控中心PC的管理系統(tǒng)上可以設(shè)定大棚內(nèi)部溫濕度值，通過(guò)UART串口將給定的溫濕度值發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)廣播模式將溫濕度值發(fā)送給每一個(gè)在它網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的ZigBee終端節(jié)點(diǎn);與此同時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器還與一個(gè)溫濕度傳感器相連接，周期地采集大棚外部溫濕度數(shù)據(jù)，同樣通過(guò)廣播模式將這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控中心PC、ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端信息交互傳輸框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)是基于CC2530無(wú)線收發(fā)模塊、ZigBee2007/PRO協(xié)議棧以及IAREmbedded Workbench集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境上開(kāi)發(fā)的。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在3種邏輯設(shè)備類型：Coordinator(協(xié)調(diào)器)、Router(路由器)和End—Device(終端設(shè)備)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，首先由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，再接受終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)流程圖分別如圖3和4所示。

3.2 溫濕度控制算法

本系統(tǒng)的控制對(duì)象為溫度和濕度。為了達(dá)到節(jié)能的效果，系統(tǒng)除了采集大棚內(nèi)部溫濕度外，還對(duì)大棚外部的溫濕度進(jìn)行采集，對(duì)比大棚內(nèi)外部的溫濕度后再?zèng)Q定如何綜合控溫度和濕度。當(dāng)大棚內(nèi)部的溫濕度不符合大棚內(nèi)部植物的生長(zhǎng)需要，而大棚外部的溫濕度條件符合時(shí)，則通過(guò)開(kāi)啟進(jìn)風(fēng)/出風(fēng)設(shè)備使大棚內(nèi)部的空氣對(duì)流換氣來(lái)達(dá)到控溫控濕的目的;否則，系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生脈沖調(diào)寬波(PWM)對(duì)加熱器、制冷器、加濕器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)綜合控制，從而對(duì)棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采用PID控制算法，將控制信息轉(zhuǎn)化成PWM輸出，改變PWM波的占空比，實(shí)時(shí)控制加熱加濕的時(shí)間。

PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：

式中u(t)為控制器的輸出信號(hào)，e(t)為溫濕度的偏差信號(hào)，Kp為比例系數(shù)，KI為幾分增益，KD為微分增益。

為了使于控制器能對(duì)式(1)進(jìn)行計(jì)算控制，便于軟件的實(shí)現(xiàn)，須將式(1)中的連續(xù)微分方程轉(zhuǎn)化為離散的差分方程。將式(1)中的積分項(xiàng)離散化，采用累加和的形式，并將微分項(xiàng)離散化，采用一階后項(xiàng)差分。可以得到式(1)的位置式離散PID表達(dá)式：

根據(jù)溫度的控制范圍(20～75℃)，濕度的控制范圍(20%RH～95%RH)，把控制器輸出信號(hào)u(t)與輸出PWM范圍(0～99)對(duì)應(yīng)。根據(jù)PID參數(shù)整定方法，去調(diào)節(jié)Kp、KI、KD的值，直至獲得溫濕度最好的控制效果。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整參數(shù)并試驗(yàn)運(yùn)行，觀察控制效果，最終確定溫度控制器PID控制算法系數(shù)Kp1、KI1、KD1的值為4.02、2.8和1.23，濕度控制器PID算法系數(shù)Kp2、KI2、KD2的值為5.94、5.96和1.48。算法中還加入一個(gè)系統(tǒng)溫濕度超調(diào)機(jī)制，為了預(yù)防在某種特殊的季節(jié)和光照度下，造成控溫控濕設(shè)備無(wú)法在能夠接受的時(shí)間內(nèi)達(dá)到控溫控濕要求或者溫濕度曲線嚴(yán)重超調(diào)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒管理者及時(shí)處理。此外，為了盡量消除加熱、加濕等會(huì)造成大棚內(nèi)部溫濕度場(chǎng)的不均勻，還須在在大棚內(nèi)部加一個(gè)氣體循環(huán)風(fēng)機(jī)。在控溫控濕的過(guò)程中同時(shí)開(kāi)啟氣體循環(huán)風(fēng)機(jī)，使流動(dòng)的空氣帶動(dòng)溫濕度場(chǎng)讓大棚內(nèi)部形成一個(gè)趨向于均勻的溫濕度場(chǎng)。

3.3 監(jiān)控PC管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控PC管理系統(tǒng)采用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)工具。Visual C++6.0提供了實(shí)現(xiàn)串口通信的許多方法，其中Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的Activre控件MSComm控件為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。監(jiān)控PC管理系統(tǒng)采用圖形化的操作方式，用戶可以根據(jù)溫濕度曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢和超限報(bào)警等及時(shí)了解監(jiān)控大棚內(nèi)部的溫濕度，并且能夠?qū)崟r(shí)改變大棚內(nèi)溫濕度的設(shè)定值。

4 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，搭建了模擬大棚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。模擬大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控PC機(jī)、系統(tǒng)協(xié)調(diào)器、兩個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、以及加濕器、加熱器、制冷器和進(jìn)出風(fēng)設(shè)備等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。在模擬大棚里布置了兩個(gè)單總線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)(DHT11)，對(duì)大棚內(nèi)部的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);兩個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的溫濕度值以及系統(tǒng)給定的溫濕度值獨(dú)立控制各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)?；赯igBee技術(shù)的模擬大棚內(nèi)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置如圖5所示。

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

在搭建模擬大棚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種測(cè)試：包括1)監(jiān)控PC通信管理、數(shù)據(jù)管理和越限報(bào)警測(cè)試;2)各節(jié)點(diǎn)單獨(dú)工作，測(cè)試系統(tǒng)溫濕度階躍響應(yīng);3)各節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作，對(duì)溫濕度進(jìn)行PID協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)控效果;4)監(jiān)控系統(tǒng)的抗擾動(dòng)測(cè)試。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

圖6(a)、圖6(b)為當(dāng)各節(jié)點(diǎn)單獨(dú)工作時(shí)，在室溫下施加一個(gè)階躍給定，大棚內(nèi)部的溫濕度響應(yīng)曲線。關(guān)閉制冷器、加濕器和進(jìn)風(fēng)排風(fēng)風(fēng)扇，讓加熱管單獨(dú)工作，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)對(duì)大棚內(nèi)部的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在監(jiān)控PC管理系統(tǒng)上實(shí)時(shí)地顯示溫濕度數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)繪制溫濕度歷史曲線。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，溫度由室溫穩(wěn)定在60℃左右。升溫響應(yīng)曲線如圖6(a)所示。關(guān)閉加熱管、制冷器和進(jìn)風(fēng)排風(fēng)風(fēng)扇，單獨(dú)開(kāi)啟加濕器，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，大棚內(nèi)濕度達(dá)到飽和。加濕響應(yīng)曲線如圖6(b)所示。

測(cè)試了監(jiān)控PC管理系統(tǒng)、ZigBee無(wú)線通信和控溫控濕設(shè)備的工作狀態(tài)之后，為了檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)PID控制算法的控溫控濕效果，需要對(duì)溫濕度同時(shí)進(jìn)行PID控制和調(diào)節(jié)。把給定溫度和濕度分別設(shè)定為32℃和62.5%RH，對(duì)加熱控制器和加濕控制器分別進(jìn)行PID算法控制，控制過(guò)程響應(yīng)如圖7所示。從圖中可以看出，溫濕度響應(yīng)曲線都有一定超調(diào)產(chǎn)生，但能較快達(dá)到設(shè)定值，并且可以消除系統(tǒng)靜差，獲得較好的控制效果。

大棚內(nèi)部的溫濕度會(huì)隨著大棚外部氣候變化而改變。一年春夏秋冬的氣候變化，和一天24小時(shí)外部環(huán)境都會(huì)對(duì)大棚內(nèi)部的溫濕度造成一定影響。例如一場(chǎng)突降的大雨有可能會(huì)導(dǎo)致大棚內(nèi)部濕度的驟然上升和溫度的驟然下降。為了驗(yàn)證本監(jiān)控系統(tǒng)PID控制算法能否克服這樣的溫濕度擾動(dòng)，達(dá)到較理想的控制狀態(tài)，測(cè)試中人為給大棚內(nèi)部一個(gè)突然的溫濕度擾動(dòng)。系統(tǒng)溫濕度控制調(diào)節(jié)抗擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖8所示。從大棚溫濕度抗擾動(dòng)響應(yīng)曲線圖可知，不論突然的升溫還是降溫?cái)_動(dòng)施加于系統(tǒng)，在監(jiān)控系統(tǒng)PID控制作用下，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間后，棚內(nèi)溫度和濕度都能夠逐漸恢復(fù)到期望的穩(wěn)定狀態(tài)，收到了較好的控制效果。

即使已經(jīng)均勻地布置傳感器節(jié)點(diǎn)和加濕加熱設(shè)備的位置，局部加熱、加濕也會(huì)造成大棚內(nèi)部溫濕度場(chǎng)的不均勻，所以在圖7～圖8中可以看出，不同節(jié)點(diǎn)的溫濕度曲線并沒(méi)有完全重疊，但溫濕度的變化趨勢(shì)是一致的。本監(jiān)控系統(tǒng)PID控制算法也能夠達(dá)到良好的溫控濕控效果。

5 結(jié)論

基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控PC管理系統(tǒng)、ZigBee CC2530無(wú)線通信模塊、協(xié)調(diào)器、以及加熱、制冷、通風(fēng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，采用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)PC與下位機(jī)CC2530的串口通信、溫濕度實(shí)時(shí)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史曲線繪制、以及大棚內(nèi)溫濕度PID自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，包括對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境的升溫、降溫、加濕、除濕及換氣的多功能綜合控制。實(shí)驗(yàn)表明，基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，采用PID控制算法可以較快地達(dá)到控溫控濕效果，抗溫濕度擾動(dòng)性強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單可行，造價(jià)成本低，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。